ORIENTATION DES PALES D UNE EOLIENNE

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1 ORIENTATION DES PALES D UNE EOLIENNE Une éolienne est un générateur qui convertit l'énergie du vent en énergie électrique. Elle se compose d'un mât sur lequel est installée une nacelle renfermant la génératrice électrique entraînée par un rotor à 3 pales (voir figure 1 cicontre). La force exercée par le vent sur les pales n'étant pas constante, ni en direction et ni en intensité, il faut constamment orienter la nacelle face au vent et modifier l'angle d'inclinaison des pales pour adapter la puissance fournie par l éolienne à la vitesse du vent, ce qui rend nécessaire une mesure de la vitesse du vent. Elle est effectuée par un anémomètre placé à l arrière de la nacelle. Pale Mât Nacelle L étude porte sur la mesure de la vitesse du vent par un anémomètre et sur le système d inclinaison des pales, deux fonctions situées en amont et en aval d un micro-contrôleur, comme indiqué figure 2. Figure 1 Vitesse du vent Anémomètre N c Système d inclinaison des pales Direction du vent Girouette µ-contrôleur Système d orientation de la nacelle Figure2 Informations générales : Tous les composants sont considérés comme parfaits. Les amplificateurs opérationnels (ou AO) sont alimentés sous des tensions +Vcc = +12V et Vcc = -12V. Ils ont une impédance d entrée infinie et une impédance de sortie nulle. Les tensions de saturation sont égales à -12V ou à +12V. Toutes les parties sont indépendantes sauf certaines questions de la synthèse (partie C). Les documents réponses 1 à 4 en fin de sujet sont à rendre avec la copie. 10 PYEL ME1/LR1 1/16

2 PARTIE A : MESURE DE LA VITESSE DU VENT La mesure de la vitesse du vent est réalisée à l'aide d'un anémomètre à godets fixés sur un axe mis en rotation par le souffle du vent. L'anémomètre délivre un signal électrique dont la fréquence dépend de la vitesse du vent. Un disque à trous, solidaire de l'axe supportant les godets, tourne entre les broches d'une fourche optique (diode électroluminescente associée à un phototransistor). Le faisceau lumineux émis par la diode électroluminescente (D.E.L.) est ainsi transmis au phototransistor à chaque fois qu'un trou passe dans la fourche. La fréquence du signal v 1, représentative de la vitesse du vent, est convertie en tension continue variable puis, après numérisation, traitée par le microcontrôleur. godets capteur optique à fourche disque à 4 trous Figure 3 A.1. Capteur optique à fourche (figure 4) Le phototransistor noté T fonctionne comme un interrupteur idéal (tension de saturation nulle). Il est saturé dés qu'un courant d intensité égale ou supérieure à 20 ma circule dans la D.E.L. Dans ce cas, la tension aux bornes de la D.E.L. vaut 2 V. +5V R D R T D.E.L. T Figure 4 v 1 10 PYEL ME1/LR1 2/16

3 A.1.1 Quelles sont les deux valeurs possibles de la tension v 1? Préciser l état du phototransistor T pour chacune de ces deux valeurs. A.1.2 Un technicien propose pour R D une valeur de 1500 Ω. Ce choix est-il correct? Justifier la réponse. A.1.3 Déterminer la fréquence électrique f en hertz de la tension v 1 lorsque le disque solidaire de l'axe de rotation de l'anémomètre tourne à une vitesse de rotation de 25 tours par seconde (on rappelle que le disque est percé de 4 trous). A.2. Conversion fréquence / tension (figures 5 et 6) La tension v 1 est mise en forme par un circuit monostable dont la tension de sortie v 2 est filtrée afin d obtenir une tension continue v 3 image de la vitesse du vent. A.2.1 Mise en forme Monostable Filtre v 1 v 2 v 3 Figure 5 v 1 T t Figure 6 v 2 5V t en ms a) L'état instable du monostable est-il déclenché par un front montant ou descendant de la tension v 1? 10 PYEL ME1/LR1 3/16

4 b) Pour une période T égale à 10 ms de la tension v 1, quelles sont les durées t s et t i des états stable et instable de la tension de sortie du monostable? c) La fréquence de rotation des godets et la période T de la tension v 1 dépendent de la vitesse du vent. Comment sont modifiées les durées des états stable et instable si la période T augmente? A.2.2 Filtrage Le filtre est conçu pour extraire la valeur moyenne de la tension v 2. La période T de celle-ci peut varier de 7 ms à 20 ms selon la vitesse du vent. Pour une valeur de T de 10 ms, la tension d entrée du filtre est périodique et peut s écrire : v 2 (t) = sin (628 t +φ 1 ) + 2 sin (1256 t +φ 2 ) + 0,7 2 sin (1884 t +φ 3 ) a) Représenter sur le document réponse 1 à rendre avec la copie le spectre en valeurs efficaces de la tension v 2. b) Quel type de filtre fournirait une tension de sortie proportionnelle à la valeur moyenne de la tension v 2? Justifier la réponse. c) Proposer une plage de fréquences de coupure d un tel filtre pour extraire la valeur moyenne de v 2 compte tenu des valeurs possibles de la période T. Le filtre utilisé est schématisé ci-dessous (figure 7). L'étude est effectuée en régime sinusoïdal : on applique à l'entrée une tension v 2, sinusoïdale, de pulsation ω et on associe aux grandeurs temporelles v 2 et v 3 les grandeurs complexes V 2 et V 3. C 1 Figure 7 R F R F - v 2 + AO1 v 3 10 PYEL ME1/LR1 4/16

5 d) Vérifier en faisant tendre la fréquence de la tension d entrée vers 0 puis vers l'infini que le montage proposé peut effectivement remplir la fonction d'extraction de valeur moyenne. Une réponse complètement rédigée est attendue. e) Les deux courbes données sur le document réponse 2 à rendre avec la copie représentent la variation du gain en db en fonction de la fréquence en Hz de deux filtres différents. Quelle est celle représentant la réponse fréquentielle du filtre étudié précédemment? Justifier la réponse. f) Déterminer graphiquement la valeur de la fréquence de coupure à partir du document réponse 2 à rendre avec la copie. Les tracés graphiques utiles pour la détermination de la fréquence de coupure seront portés sur le document réponse. PARTIE B : INCLINAISON DES PALES Le dispositif étudié doit asservir la position angulaire des pales à la valeur numérique N c délivrée par le micro-contrôleur. En fonction de la vitesse du vent, le dispositif reçoit une consigne angulaire d inclinaison des pales, sous la forme d une information numérique N c, codée sur 4 bits. Un moteur à courant continu oriente les pales dans la position attendue θ. Une vue d ensemble de l asservissement est donnée figure 8. N c U ε p Correcteur CNA CNA v i d erreur + - Commande du moteur et moteur θ Figure 8 V mes Amplificateur v p Capteur de position 10 PYEL ME1/LR1 5/16

6 B.1. Conversion Numérique-Analogique Cette fonction est réalisée par le circuit schématisé sur la figure 9. La consigne angulaire N c codée sur 4 bits (a 3, a 2, a 1, a 0 ) est convertie en une tension analogique U CNA. I e D1 R R R R Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 I 3 I 2 I 1 I 0 E U 3 2R U 2 2R U 1 2R U 0 2R 2R K K K K R' P' 0 I - + AO2 U CNA Figure 9 Pour i = 0, 1, 2 ou 3, la position de l'interrupteur K i dépend de la valeur du bit a i : Si a i = 0 alors K i est en position 0 et si a i = 1 alors K i est en position 1 (voir figure 9). B.1.1 Quel est le régime de fonctionnement de l'amplificateur opérationnel AO2? B.1.2 En déduire que les tensions entre les points P 0, P 1, P 2 ou P 3 et la masse du montage peuvent être considérées comme nulles quelles que soient les positions des interrupteurs K i. B.1.3 Exprimer la tension U CNA en fonction de l'intensité I. B.1.4 Justifier que l'intensité I puisse s'écrire: I = a 3.I 3 + a 2.I 2 + a 1.I 1 + a 0.I 0. B.1.5 Déterminer la résistance équivalente R e au dipôle passif D1 situé à droite des bornes Q 0 et P' 0 et en déduire l'expression de U 0 en fonction de U 1. B.1.6 Appliquer le même raisonnement pour exprimer U 1 en fonction de U 2 puis U 2 en fonction de U 3 et enfin U 3 en fonction de E. 10 PYEL ME1/LR1 6/16

7 B.1.7 Montrer que l'intensité I 3 peut s'écrire : de I 2, I 1 et I 0. E I 3 =. En déduire l expression 4R B.1.8 En remplaçant les intensités des courants par les expressions déterminées ci-dessus, exprimer U CNA en fonction de E, R, R' et les valeurs des bits a 0, a 1, a 2 et a 3. B.1.9 En déduire que l'on peut écrire U CNA = q.n C. Préciser l'expression de q. B.1.10 Compléter les 3 cases vides du tableau du document réponse 3 à rendre avec la copie. On donne E = - 10 V et R = R' = 27 kω. B.1.11 En déduire la valeur numérique du quantum q. B.1.12 Tracer sur le document réponse 3 à rendre avec la copie la caractéristique de transfert du CNA. B.2. Capteur de position Le capteur de position est un potentiomètre dont le curseur est solidaire de l axe de rotation de la pale. Il délivre une tension V p proportionnelle à la position angulaire θ de la pale, avec 0 < θ < 340 ( figures 10 et 11). La tension V p vaut V DD lorsque θ = 340. Le potentiomètre est utilisé seulement dans une plage angulaire comprise entre 0 et 91 : 0 < θ < 91 (figure 10). V p (V) V DD Piste résistive V pmax 0 91 Figure 10 θ Vp θ Figure 11 Curseur B.2.1 Montrer que V P VDD = θ 340 B.2.2 Déterminer la plage de variation de V p pour V DD = 5V. 10 PYEL ME1/LR1 7/16

8 B.3. Etude de l amplificateur (figure 12) ap 1 R 1 _ P 1 Figure 12 + AO3 v p v mes B.3.1 Quel est le nom du montage réalisé autour de l'amplificateur opérationnel AO3? ap 1 représente la valeur de la résistance du potentiomètre P 1 intervenant dans le montage : a est un coefficient compris entre 0 et 1. B.3.2 Exprimer la tension V mes en fonction de θ, a, P 1, R 1 et V DD. B.3.3 Calculer la valeur de a pour obtenir V mes = 4,69 V lorsque θ = 91. On donne P 1 = 10R 1 = 10 kω. B.4. Amplificateur de différence (figure 13) R 6 R 5 _ V mes U CNA R 5 R 6 V - v D4 V AO4 ε p Figure 13 R 5 =1kΩ B.4.1 Quel est le mode de fonctionnement l amplificateur opérationnel AO4? B.4.2 En déduire la valeur de la tension v D4 et la relation entre les tensions V + et V PYEL ME1/LR1 8/16

9 B.4.3 Exprimer la tension V + en fonction de la tension U CNA et des résistances R 5 et R 6. B.4.4 Exprimer la tension V - résistances R 5 et R 6. en fonction des tensions V mes et ε p et des B.4.5 En déduire l expression de ε p en fonction de U CNA et V mes et des résistances R 5 et R 6. B.4.6 R 5 = 1 kω. Calculer la valeur de la résistance R 6 pour obtenir ε p = (U CNA V mes ). B.4.7 En déduire la valeur maximale que peut atteindre la tension d'erreur ε p. Le correcteur d'erreur, non étudié, est un amplificateur de tension non inverseur de coefficient d'amplification A V = V i / ε p. B.5. Etude de la commande du moteur à courant continu L alimentation du moteur est assurée par un pont en H, alimenté entre 0 et E = 24 V, dans lequel les transistors T 1 à T 4 se comportent comme des interrupteurs idéaux (voir figure 14). Le dispositif de pilotage du pont compare la tension V i continue à une tension triangulaire v tri variant de - 4 V à + 4V, de fréquence 10 khz, et génère la commande des transistors de la façon suivante : Lorsque v tri > v i les transistors T 1 et T 4 conduisent, T 2 et T 3 sont bloqués. Lorsque v tri < v i les transistors T 2 et T 3 conduisent, T 1 et T 4 sont bloqués. 10 PYEL ME1/LR1 9/16

10 E = 24 V T 1 T 3 V i Dispositif de pilotage du pont i M M T 2 T 4 v tri u M v tri t Figure 14 La tension v tri est représentée sur le document réponse 4 à rendre avec la copie. B.5.1 Représenter sur le document réponse 4 à rendre avec la copie la tension u M (t) aux bornes du moteur pour les trois valeurs de la tension V i données dans le document réponse 4. Graduer les axes des ordonnées pour trois représentations graphiques. B.5.2 Indiquer clairement les intervalles de conduction des interrupteurs dans le cas N 1 (V i = 0 V). B.5.3 Pour le cas N 2 (V i = 3 V), déterminer la valeur moyenne de u M (t). B.5.4 Pour certaines valeurs de V i la tension u M (t) aux bornes du moteur peut avoir l allure représentée sur la figure 15. u M (t) E αt T t Figure 15 -E a) Déterminer l expression littérale de la valeur moyenne de u M (t) en fonction de E et α (rapport cyclique). b) La valeur moyenne de u M (t) peut être positive, nulle ou négative selon les différentes valeurs de V i. Quelle est la conséquence pour le moteur? 10 PYEL ME1/LR1 10/16

11 B.6. Etude du moteur à courant continu On utilise un moteur à courant continu à aimants permanents. On donne : R M = 1 Ω, résistance de l'induit du moteur. U M = 24 V, tension nominale d'induit. I M = 2 A, intensité nominale du courant d'induit. n = 750 tr/min, vitesse nominale de rotation du rotor. E M : force électromotrice (f.é.m) du moteur. Pour les questions suivantes, le moteur fonctionne en régime nominal. B.6.1 Donner le schéma électrique équivalent de l'induit du moteur. B.6.2 Calculer la f.é.m E M. B.6.3 Calculer la puissance P j dissipée par effet Joule au niveau de l induit. B.6.4 Calculer la puissance utile P U fournie par le moteur, sachant que les pertes totales P t incluant les pertes par effet Joule s élèvent à 8W. B.6.5 Calculer le rendement η du moteur. 10 PYEL ME1/LR1 11/16

12 PARTIE C : SYNTHESE Le schéma fonctionnel de principe de l asservissement de position est rappelé figure 16. U CNA + - ε p Correcteur d'erreur A v V i Ensemble {moteur, commande} θ V mes K V p V DD 340 Figure 16 C.1. Donner l expression de la fonction de transfert T R de la chaîne de retour. C.2. Exprimer la tension d erreur ε p en fonction de U CNA, θ et des éléments de la chaîne de retour. C.3. A l'aide du document réponse n 3 à rendre avec la copie et de la question B.3, calculer la valeur numérique de la tension d erreur ε p pour θ = 18,2 puis pour θ = 72,8. C.4. Interpréter physiquement les résultats obtenus à la question C.3. C.5. Quelle serait la conséquence d'une augmentation du coefficient d'amplification K sur l'asservissement puis sur l'ensemble du dispositif d'orientation des pales? 10 PYEL ME1/LR1 12/16

13 Document Réponse N 1 à rendre avec la copie Spectre en valeurs efficaces de v 2 Tension efficace 0,25 V 0 25 f (Hz) 10 PYEL ME1/LR1 13/16

14 Document Réponse N 2 à rendre avec la copie courbe gain (db) , Fréquence (Hz) courbe 2 Gain (db) ,01 0, Fréquence (Hz) 10 PYEL ME1/LR1 14/16

15 Document Réponse N 3 à rendre avec la copie Tableau de données θ (en degré) a 3 a 2 a 1 a 0 N c (décimal) U CNA (V) , ,312 12, , ,938 24, ,250 30, ,563 36, ,875 42, , ,5 54, ,813 60, , ,438 72, ,75 78, ,063 84, , Caractéristique du CNA U CNA 0,5 V 0 1 N C 10 PYEL ME1/LR1 15/16

16 + 4 V v tri Document Réponse N 4 à rendre avec la copie t (µs) - 4 V u M pour v i = 0 V Cas N 1 0 t (µs) u M pour v i = 3 V Cas N 2 0 t (µs) u M pour v i = -2 V Cas N 3 0 t (µs) 10 PYEL ME1/LR1 16/16